關(guān)于提高智能手機(jī)電源效率的要求與責(zé)任，經(jīng)常會(huì)落到內(nèi)存或閃存儲(chǔ)存等其他組件上。不過(guò)，根據(jù)加拿大研究人員的最新研究成果顯示，自充電(self-charging)電池預(yù)計(jì)將在未來(lái)十年內(nèi)出現(xiàn)。

加拿大蒙特利爾的麥基爾大學(xué)(McGillUniversity)與國(guó)營(yíng)的魁北克電力公司(Hydro-Quebec)旗下研究機(jī)構(gòu)IREQ合作，可望讓使用者再也不必面對(duì)忘記充電后無(wú)法使用手機(jī)的沮喪相關(guān)經(jīng)驗(yàn)了。麥基爾大學(xué)采礦與材料工程系教授GeorgeDemopoulos表示，鋰離子電池雖然讓各種移動(dòng)設(shè)備得以普及，但由于能源密度有限，仍然要頻繁的充電。

這種限制引發(fā)研究人員關(guān)于開發(fā)可攜式太陽(yáng)能充電器的興趣。但Demopoulos指出，由于復(fù)雜的電路和封裝問(wèn)題，難以讓這些混合設(shè)備小型化。因此，麥吉爾大學(xué)的研究人員們致力于開發(fā)能夠利用光進(jìn)行能量采集與儲(chǔ)存的單一設(shè)備，從而達(dá)到了自充電電池的第一個(gè)里程碑。

圖1：FTO/LFpNp/DYE電極的示意圖

Demopoulos自2010年以來(lái)一直與HydroQuebec合作，進(jìn)行鋰離子電池和太陽(yáng)能電池的制造。2014年，他向麥吉爾大學(xué)申請(qǐng)休假研究，在IREQ與博士后研究人員Andreapaolella一起試驗(yàn)了利用光采集制造自充電電池的想法，如同染料敏化(dye-sensitized)太陽(yáng)能電池相同。Demopoulos自2007年起一直在從事與染料敏化太陽(yáng)能電池相關(guān)的研發(fā)，因而開始了與電池的不解之緣。

在早期階段，這方面的研究集中于單個(gè)光電極——用燈泡照射半個(gè)電池作為示范，看電池是否能夠吸收光能并儲(chǔ)存電能。但Demopoulos說(shuō)，研究人員們想了解的是“我們面前的這兩種(燈泡、電池)設(shè)備，可以合二為一嗎?經(jīng)過(guò)幾周的光電極照射后，我們開始看到電流的流動(dòng)，”Demopoulos關(guān)于paolella的耐心贊不絕口，因?yàn)橐婚_始的兩個(gè)星期內(nèi)什么都沒有發(fā)生。

研究團(tuán)隊(duì)在獲得加拿大自然科學(xué)暨工程研究委員會(huì)(NSERC)的資助后，目前正展開該計(jì)劃第二階段的工作。在2017年四月號(hào)的《自然通訊》(NatureCommunications)期刊中，研究人員詳細(xì)描述了染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)如何與鋰離子材料相結(jié)合以探究光輔助電池的充電的過(guò)程。

基本上，磷酸鐵鋰能有效地作為可逆的氧化還原劑，用于染料的再生，研究人員的研究結(jié)果描述了促進(jìn)光充電(photo-rechargeable)鋰離子電池設(shè)計(jì)原理的可能性。

該實(shí)驗(yàn)的第一階段沒有實(shí)際的設(shè)備，并且在無(wú)濕度的干燥室中進(jìn)行。此外，各種實(shí)體組件從未被封裝在單一容器中。“不僅僅是光線，實(shí)驗(yàn)中的氧氣也起著關(guān)鍵用途。”Demopoulos說(shuō)：“電池中不能存在氧氣。所以，下一階段是要設(shè)法取代氧氣，然后再進(jìn)一步加以封裝。”

他說(shuō)，這項(xiàng)研究計(jì)劃預(yù)計(jì)要花大約五至十年的時(shí)間。“我們將會(huì)要重新設(shè)計(jì)可吸收光的移動(dòng)設(shè)備。”例如，屏幕可以吸收光。

圖2：霓虹光照射(紅線)的開路電壓(OCV)：在經(jīng)過(guò)平緩的3.40V后，電壓升至3.75V;在使用黑盒子的黑暗環(huán)境(藍(lán)線)，電壓如預(yù)期般，在500小時(shí)內(nèi)從3.44V略降至3.41V。插圖顯示使用太陽(yáng)能仿真器(綠線)照射下OCV的變化

IREQ能源儲(chǔ)存和管理總監(jiān)KarimZaghib表示，已經(jīng)設(shè)計(jì)出能吸收光的電極，NSERC的經(jīng)費(fèi)贊助將給予他們縮小差距的機(jī)會(huì)，并證明光充電電池的可能性。該機(jī)構(gòu)從事鋰離子電池相關(guān)業(yè)務(wù)已有五十年的歷史了;Zaghib個(gè)人也在那里工作了22年。目前，提出新的充電方法是Zaghib和其它研究人員致力于解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。他說(shuō)：“大家都想要快速充電，我們必須找到另一個(gè)來(lái)源。”

他說(shuō)，擁有一款同時(shí)能夠采集能量并加以儲(chǔ)存的設(shè)備，一直是個(gè)反復(fù)被討論的主題。電池的尺寸已不再是問(wèn)題，因?yàn)檠芯咳藛T使用的是離子磷酸鹽電池，而不是鋰離子電池。“問(wèn)題不在于能量密度，我們已有解決辦法了。”Zaghib說(shuō)：“現(xiàn)在的問(wèn)題是如何快速充電。”而另一個(gè)挑戰(zhàn)則是讓電池?fù)碛凶銐虻某潆姶螖?shù)，目標(biāo)是在未來(lái)五年內(nèi)達(dá)到500次充放電周期。

預(yù)計(jì)在未來(lái)十年，越來(lái)越多的智能家庭將會(huì)采用太陽(yáng)能供電，自充電電池也可望在家中派上用場(chǎng)，白天由陽(yáng)光充電并在夜間使用。雖然目前的研究還圍繞在小尺寸的電池，但Zaghib看好為能量?jī)?chǔ)存等應(yīng)用開發(fā)出10-20千瓦時(shí)(kwh)更大尺寸電池的潛力。他說(shuō)：“如今，假如你想要在自家發(fā)電，必須在屋頂上安裝太陽(yáng)能板，并且把電池放置于家中地下室或車庫(kù)。”

而自充電電池的概念意味著家庭中的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)只需放在屋頂上，Zaghib說(shuō)，這個(gè)概念甚至還可以導(dǎo)入車子，不過(guò)還要更多的考慮，因?yàn)檐囉秒姵赝ǔ７旁诘妆P。總之，“我們正思考一些新的設(shè)計(jì)，”Zaghib說(shuō)。